【汽车材料网】01 年度产业技术综述
2020年新能源乘用车产销均为124.6万辆，同比分别增长11.3%和14.6%；新能源商用车产销分别为12.0万辆和12.1万辆，同比下降20.8%和17.2%。乘用车驱动电机及控制器产业集中度进一步提高，商用车驱动电机及控制器全部由国内企业配套。总体上我国在驱动电机及控制器领域仍保持了较充分的国产化配套能力。2020年我国新能源汽车电驱动技术在高集成度三合一/多合一电驱动总成、电驱动系统NVH性能提升、高效高速驱动电机技术及核心零部件、高效高密度电机控制器技术、高速减速器、轮毂电机等方面取得了技术进步。
高速、高效、高密度、低振动噪声、高性价比是新能源汽车驱动电机的重点发展方向。面向新能源汽车的更大规模应用，我国一方面需要持续提升驱动电机设计和制造水平，另一方面继续加大对高性能硅钢材料、低重稀土永磁材料、耐电晕耐高温绝缘材料、直接油冷电机材料、高速轴承、位置传感器等基础核心零部件的研发投入。
在电机控制器方面，技术方向瞄准更高功率密度和更高效率，第三代宽禁带半导体器件基础材料与设计、功率模块高效冷却与封装、无源器件技术、相关传感、控制和通讯用集成电路等技术和工艺等方面加大投入。
在高速减速器方面，加快自主高速减速器/变速器及其轴承、齿轮等配套关键零部件开发，并强化电机和减速器/变速器的深度集成。
面向分布式驱动电动汽车应用的轮毂电动轮总成开发，在集成、防护、安全与成本控制等方面持续增加投入。
同时，我国适用于电驱动系统开发的专用设计与仿真工具软件、自主电机控制软件架构（如类AutoSAR架构）及其开发工具的研发缓慢或缺失，网络安全设计开发与测试软件及诊断工具缺失，需要持续关注和增加研发投入。
2.1 材料技术
永磁材料方面，2020年稀土金属的价格持续波动，稀土元素特别是镝（Dy）和铽（Tb）存在短缺风险，研究人员和机构一直在专注于开发降低临界稀土含量的永磁体。日本TDK公司和烟台首钢、横店东磁等少数公司在研发和推出无镝铽N48H钕铁硼永磁材料。绝缘材料方面，国内2涂层耐电晕漆包线漆/线技术已经成熟，单涂层的耐ATF油聚酰胺酰亚胺漆包线正在试生产阶段，但目前在国内市场应用还较少。低（零）VOC、无卤阻燃、高导热系数、耐高频等成为绝缘浸渍漆材料的技术发展方向。导磁材料方面，无取向硅钢产品薄规格化、高强度化是发展方向；我国大批量使用0.35mm材料逐步转为0.27-0.30mm产品，个别批量使用0.20和0.25mm产品。薄规格、低铁损高磁感高强度的性能综合的规格产品逐步成为主流。
碳化硅功率器件。充分利用碳化硅高温、高效和高频特性是实现电机控制器功率密度和效率持续提升的关键要素。继2019年特斯拉率先在其Model 3车型的电机控制器中批量应用碳化硅器件之后，2020年上市的比亚迪“汉”采用了基于碳化硅器件的电机驱动系统，标志着碳化硅器件在新能源汽车电驱动系统开始大批量应用。据Yole等咨询公司调研预测，碳化硅功率器件在新能源汽车电驱动系统中的规模化应用会在2022-2023年迎来快速发展。
扁导线绕组。与圆导线绕组相比较，扁导线绕组由于具有高槽满率和高电枢刚度，有利于提升电机热性能和振动噪声，已经成为新能源汽车驱动电机主要应用。扁线电机转速不断提高，创新导线结构不断出现，电机功率密度进一步提高，绝缘能力可满足更高工作电压要求。
位置传感器。位置传感器是新能源汽车电驱动系统的关键部件之一，主要应用包括霍尔位置传感器、TMR磁性编码器、电涡流传感器和旋变位置传感器；其性能的优劣对电驱动系统性能和整车可靠性与舒适性至关重要。新一代碳化硅高频高压高速内油冷电驱动系统，除了高精度电气误差性能外，对旋变位置传感器提出了更苛刻的多领域性能要求。
电机高效热管理技术。目前永磁同步电机的冷却多为机壳水冷方式，该冷却方式可满足大部分的使用需求。驱动电机油冷方案中绕组喷油冷却技术是市场上最流行的方案，兼具水冷和油冷的复合冷却方式也在一些高端领域开始了应用研究。
NVH性能提升技术。随着驱动电机的转速和功率密度不断提高，产生了更大的机械和电磁激振力，宽调速范围内共振难以避免，“三合一”深度集成化带来的电机减速器的NVH耦合问题等都对驱动电机的NVH设计优化构成了较大的挑战。随着市场对汽车品质要求的提高，中国自主车企的“品牌向上”，NVH作为衡量新能源汽车舒适性和品质的重要指标，也越来越受到行业的关注。驱动电机的NVH性能提升需要从设计、制造及工艺、测评等多个层面实施。
高集成驱动系统技术。驱动电机、功率电子单元和减速器集成的电驱动一体化驱动总成是乘用车领域发展的主要方向。现阶段的总成主要形态体现为驱动电机+电机控制器+减速器的三合一和在三合一基础上，将电机控制器、DC/DC和OBC等功率电子集成的多合一方案。
轮毂电机技术。2020年，行业对轮毂电机系统的开发有了一系列明显的开发与提升。径向磁通直驱轮毂电机仍然是研究热点，国内主要企业如上海电驱动，推出了高性能轮毂电机，主要性能指标为峰值转矩670Nm，峰值功率68.8kW。
2.4 电机控制器技术
全碳化硅控制器。碳化硅器件具有高温、高效和高频的优势，能够将电机控制器的损耗大幅降低或者在相同损耗下提高控制器的输出能力，近年来，国内外科研院所和企业均在大力开展SiC晶圆、芯片、模块及电机控制器的研发与产业化。
NVH性能提升技术。车用永磁同步电机系统中，由齿槽、反电动势非正弦、相电流畸变以及铁心磁饱和等引起的转矩脉动严重影响了永磁同步电机转矩的输出品质。基于此问题，需要注入特定阶次的电流谐波来提升整车的NVH品质。
2.5 高速减速器技术
高速减速器是乘用车电驱动总成高速化的核心零部件，国外博格华纳、吉凯恩、麦格纳等开发出了14k~18krpm高速减速器，我国上汽变速器、重庆青山、比亚迪等自主减速器产品级最高转速在12k~14krpm，正在开发16krpm减速器产品。同时，我国正加快在高速轴承、齿轮等配套关键零部件开发与工程化进度，强化电机和减速器的深度集成。
03 年度专利文献分析
从全球范围上看，2000～2020年电动汽车电机专利申请量持续保持高速增长。在国家分布上，专利权人主要在中国、日本、美国、德国、韩国、欧洲专利局以及世界知识产权组织进行专利申报和布局。
电动汽车电机相关文献发布量趋势
在新能源汽车驱动电机技术领域内，经过对专利信息的挖掘分析可以看到，扁线电机技术应用已愈发成熟，专利方向趋于技术改进提升为主。 碳化硅功率器件在车辆上的技术应用研究已近十年时间，而在纯电动车上的应用还处在初期阶段，碳化硅材料在半导体晶体管技术上的应用发展还有较大的发展空间。
基于CNKI文献数据库对2000～2020年电动汽车驱动电机系统相关文献资料发布数量进行计量，可见2005年后驱动电机技术各领域研究始终保持较高增长速度。从整体上看，驱动电机系统技术领域的主要技术点集中在：永磁同步电机、碳化硅功率器件、软磁复合材料、转矩转速控制、NVH、EMC。在新能源汽车驱动电机技术领域内，经过对文献资料的挖掘分析可以看到，在扁线绕组电机方向上，国内高校和研究机构相对缺乏针对性研究，但从全球范围看，国内的技术研究增速和累计发布数量仍处于领先地位。
04 年度热点案例解析
大众iD4后驱电驱动总成。大众ID.系列电动汽车于2020年上市，iD4是大众MEB平台典型应用，前后轴各集成一个电驱动系统。后驱系统采用永磁同步电机，输出功率150 kW，扭矩310 Nm，最大转速16000 rpm，总成质量90kg。
后驱永磁电机控制器与驱动电机直接集成，IGBT功率器件采用HPDrive封装，采用独立冷却单元，内部集成滤波器，实现高电磁兼容等级；同时膜电容器与IGBT共用冷却系统，纹波能力进一步提升。值得注意的是，大众MEB电驱动系统未集成DC/DC变换器，分为1.8 kW和3.0 kW两个规格作为独立单元设计，可根据整车需求进行灵活集成。
大众MEB平台，除了后驱永磁电驱动总成外，前驱采用异步电机驱动，功率输出75 kW，扭矩151 Nm，最大转速14000 rpm，总成质量60kg。由于异步电机可实现短时间大功率助力和怠速时损耗低，比较适合辅助驱动，该系统异步驱动电机采用扁导线定子。
一汽E-HS9 EDS。红旗FME平台是一汽全新自主正向开发的高端纯电动平台，30s综合峰值功率405kW，轮端总转矩超过8000Nm，包含一汽自主研发的160kW（300Nm）和245kW（450Nm）两款永磁同步电驱系统，首发搭载红旗E-HS9，百公里加速4.8秒。总成系统效率＞93%，最高转速＞15000rpm，功率密度＞4.9kW/kg。245kW电驱系统是一汽HS（超级电驱）平台的首发产品，采用了富士逆导式智能功率半导体，高强度水套一体式铸造壳体、高刚度旋压中空轴。与国外同功率等级电驱系统相比，系统效率提升7%，重量轻15%。160kW电驱系统是一汽HP（高性能电驱）平台的首发产品，采用了扁导体绕组、新型磁钢、新型超薄高强度铝合金铸造、最新一代高性能多核处理器、满足AutoSar和功能安全标准的软硬件架构等多项新技术。
华为多合一总成
华为多合一总成。2020年北京车展，华为推出了多合一电驱动系统DriveONE通过电机、MCU、PDU、OBC、DCDC、减速器、BCU七大部件的高度集成，如图。该总成实现了机械部件和功率部件的深度融合，同时引入了智能化功能设计，实现了端云协同与控制归一。该电驱动总成最大功率120kW，轮端输出转矩2200Nm，输出转速1250rpm，电驱动总成效率93%，EMC等级通过带载3级。
